JP7491142B2 - Laser interferometer and method for controlling the laser interferometer - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a laser interferometer and a method for controlling a laser interferometer.

特許文献1には、物体の振動速度を測定する装置として、物体に対してレーザー光を照射し、ドップラーシフトを受けた散乱レーザー光に基づいて、振動速度を計測するレーザー振動計が開示されている。このレーザー振動計では、光ヘテロダイン干渉法を用いることにより、散乱レーザー光に含まれたドップラー信号を取り出す。 Patent Document 1 discloses a laser vibrometer as a device for measuring the vibration velocity of an object, which irradiates the object with laser light and measures the vibration velocity based on the scattered laser light that has undergone a Doppler shift. This laser vibrometer uses optical heterodyne interferometry to extract the Doppler signal contained in the scattered laser light.

また、特許文献1に記載のレーザー振動計では、電圧を変えることで振動周波数が可変となるピエゾ素子または水晶振動子が用いられており、これらの振動素子にレーザー光を照射することにより、周波数をシフトさせる。このようにして周波数がシフトした変調信号を含むレーザー光を参照光として用いることにより、散乱レーザー光からドップラー信号を復調している。このようにして得られたドップラー信号を用いることにより、物体の振動速度を計測することができる。 The laser vibrometer described in Patent Document 1 uses a piezoelectric element or a quartz crystal oscillator whose vibration frequency can be varied by changing the voltage, and the frequency is shifted by irradiating these vibration elements with laser light. By using the laser light containing the modulation signal whose frequency has been shifted in this way as a reference light, a Doppler signal is demodulated from the scattered laser light. The vibration velocity of an object can be measured using the Doppler signal obtained in this way.

さらに、特許文献1には、振動素子として、例えば電圧、磁気等を与えると変形する性質を持ち、電圧を変えることで振動周波数が可変となるピエゾ素子を使用することが望ましいことが記載されている。また、振動周波数は、波形の立ち上がりが直線性を示す三角波やのこぎり波でなければならないこと、および、のこぎり波印加電圧の立ち上がり時、あるいは、三角波印加電圧立ち上がりおよび立ち下がり時に、レーザー光が入射されることによる光ドップラーシフトを利用することが記載されている。 Furthermore, Patent Document 1 describes that it is desirable to use a piezoelectric element as the vibration element, which has the property of deforming when voltage, magnetism, etc. are applied, and the vibration frequency can be varied by changing the voltage. It also describes that the vibration frequency must be a triangular wave or sawtooth wave whose waveform shows linearity at the rising edge, and that the optical Doppler shift caused by the incidence of laser light is utilized when the sawtooth wave applied voltage rises, or when the triangular wave applied voltage rises and falls.

特開2007-285898号公報JP 2007-285898 A

しかしながら、一般的にkHz帯以上で駆動するピエゾ素子やQ値が高い水晶振動子のような振動素子は、単振動駆動を利用している。このため、特許文献1に記載されているような三角波やのこぎり波を用いた駆動方法では、変調信号の精度が出ず、現実的ではないという問題がある。そこで、三角波やのこぎり波を使わない駆動方法を用いる必要がある。 However, piezoelectric elements that are generally driven at frequencies above the kHz band and vibration elements such as quartz crystal resonators with high Q values use simple harmonic drive. For this reason, the driving method using triangular waves or sawtooth waves as described in Patent Document 1 does not provide sufficient modulation signal accuracy and is therefore not practical. Therefore, it is necessary to use a driving method that does not use triangular waves or sawtooth waves.

一方、比較的精度の出しやすい正弦波を使った駆動方法を用いた場合、その振動素子内でレーザー光を変調する部位の速度が、時々刻々と変化しやすくなる。このため、変調周波数もそれに伴って変化することになる。このようにして変調信号の周波数が変化すると、散乱レーザー光からドップラー信号等のサンプル信号を復調するとき、サンプル信号を正確に復調することができないという課題が生じる。 On the other hand, when using a drive method using a sine wave, which is relatively easy to achieve high accuracy, the speed of the part of the vibration element that modulates the laser light is likely to change from moment to moment. This causes the modulation frequency to change accordingly. If the frequency of the modulation signal changes in this way, a problem arises in that when demodulating a sample signal such as a Doppler signal from the scattered laser light, the sample signal cannot be accurately demodulated.

本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
第1レーザー光を射出する光源部と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第1レーザー光を変調し、変調信号を含む第2レーザー光を生成する光変調器と、
前記第1レーザー光が対象物で反射されて生成されたサンプル信号を含む第3レーザー光と、前記第2レーザー光と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を行う復調回路と、
を備え、
前記復調回路は、前記復調処理を間欠的に行うことを特徴とする。
A laser interferometer according to an application example of the present invention includes:
A light source unit that emits a first laser beam;
an optical modulator including a vibration element, the optical modulator modulating the first laser light by using the vibration element to generate a second laser light including a modulation signal;
a light receiving element that receives interference light between a third laser light including a sample signal generated by reflection of the first laser light from an object and the second laser light, and outputs a light receiving signal;
a demodulation circuit that performs a demodulation process to demodulate the sample signal from the received light signal;
Equipped with
The demodulation circuit is characterized in that it performs the demodulation process intermittently.

本発明の適用例に係るレーザー干渉計の制御方法は、
第1レーザー光を射出する光源部と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第1レーザー光を変調し、変調信号を含む第2レーザー光に生成する光変調器と、
前記第1レーザー光が対象物で反射されて生成されたサンプル信号を含む第3レーザー光と、前記第2レーザー光と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
を備えるレーザー干渉計の制御方法であって、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を間欠的に行うことを特徴とする。
A method for controlling a laser interferometer according to an application example of the present invention includes the steps of:
A light source unit that emits a first laser beam;
an optical modulator including a vibration element, the optical modulator modulating the first laser light by using the vibration element to generate a second laser light including a modulation signal;
a light receiving element that receives interference light between a third laser light including a sample signal generated by reflection of the first laser light from an object and the second laser light, and outputs a light receiving signal;
A method for controlling a laser interferometer comprising:
The optical fiber is characterized in that a demodulation process for demodulating the sample signal from the received light signal is performed intermittently.

第1実施形態に係るレーザー干渉計を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a laser interferometer according to a first embodiment. 図1に示す光変調器の第1構成例を示す概念図である。2 is a conceptual diagram showing a first configuration example of the optical modulator shown in FIG. 1 . 図1に示す光変調器の第2構成例を示す概念図である。1. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a second configuration example of the optical modulator shown in FIG. 図1に示す光変調器の第3構成例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing a third configuration example of the optical modulator shown in FIG. 1 . MEMS振動ミラー素子の駆動部に印加する電圧と、このMEMS振動ミラー素子の振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅の各測定値と、の関係を示すグラフである。11 is a graph showing the relationship between the voltage applied to a drive section of a MEMS vibrating mirror element and the measured values of the maximum vibration velocity, maximum modulation frequency, and displacement amplitude of the MEMS vibrating mirror element. 図1に示す光変調器の第4構成例を示す概念図である。FIG. 13 is a conceptual diagram showing a fourth configuration example of the optical modulator shown in FIG. 直交検波法による復調処理を行う復調回路を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a demodulation circuit that performs demodulation processing using a quadrature detection method. 単振動する振動素子に設けられた光反射面の位置の時間変化を表すグラフ、および、この振動素子による変調周波数の時間変化を表すグラフである。1 is a graph showing a change over time in the position of a light reflecting surface provided on a vibration element that vibrates simply, and a graph showing a change over time in the modulation frequency caused by this vibration element. 等速で動く被測定物に対してレーザー光を照射したとき、復調回路から出力されたドップラーシフトの時間変化を表すグラフである。13 is a graph showing the change over time in Doppler shift output from a demodulation circuit when a laser beam is irradiated onto an object to be measured moving at a constant speed. 振動素子で変調された参照光に含まれる変調信号の、図9に示す誤差1%以下の領域に入っている時間に対応する波数と、振動素子の最大変調周波数と、の関係を示す表である。10 is a table showing the relationship between the wave number corresponding to the time when the modulation signal contained in the reference light modulated by the vibration element is in the region of error of 1% or less shown in FIG. 9 and the maximum modulation frequency of the vibration element. 第2実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of a mounting structure of an optical system included in a laser interferometer according to a second embodiment. 第2実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of a mounting structure of an optical system included in a laser interferometer according to a second embodiment. 第2実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of a mounting structure of an optical system included in a laser interferometer according to a second embodiment.

以下、本発明のレーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。 The laser interferometer and the method for controlling the laser interferometer of the present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the attached drawings.

1.第1実施形態
まず、第1実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図1は、第1実施形態に係るレーザー干渉計を示す概略構成図である。
1. First Embodiment First, a laser interferometer according to a first embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser interferometer according to the first embodiment.

図1に示すレーザー干渉計1は、光学系50と、光学系50からの信号が入力される復調回路52と、制御回路53と、を有する。 The laser interferometer 1 shown in FIG. 1 has an optical system 50, a demodulation circuit 52 to which a signal from the optical system 50 is input, and a control circuit 53.

1.1.光学系
光学系50は、光源部2と、偏光ビームスプリッター4と、1/4波長板6と、1/4波長板8と、検光子9と、受光素子10と、周波数シフター型の光変調器12と、被測定物14が配置されたセット部16と、を備えている。
The optical system 50 includes a light source unit 2, a polarizing beam splitter 4, a quarter-wave plate 6, a quarter-wave plate 8, an analyzer 9, a light receiving element 10, a frequency shifter-type optical modulator 12, and a set unit 16 in which an object to be measured 14 is disposed.

光源部2は、所定の波長の出射光L1(第1レーザー光)を射出する。受光素子10は、受けた光を電気信号に変換する。光変調器12は、振動素子3Aを備えており、出射光L1を変調し、変調信号を含む参照光L2(第2レーザー光)を生成する。セット部16は、被測定物14を配置することができるようになっている。被測定物14に入射した出射光L1は、サンプル信号、例えば周波数信号や位相信号を含む物体光L3(第3レーザー光)として反射する。 The light source unit 2 emits an emission light L1 (first laser light) of a predetermined wavelength. The light receiving element 10 converts the received light into an electrical signal. The optical modulator 12 includes a vibration element 3A, and modulates the emission light L1 to generate a reference light L2 (second laser light) containing a modulated signal. The setting unit 16 is adapted to allow the object 14 to be placed. The emission light L1 incident on the object 14 is reflected as an object light L3 (third laser light) containing a sample signal, such as a frequency signal or a phase signal.

光源部2から射出される出射光L1の光路を、光路18とする。また、光路18は、偏光ビームスプリッター4の反射により、光路20に結合される。光路20上には、偏光ビームスプリッター4側から1/4波長板8および光変調器12がこの順で配置されている。さらに、光路18は、偏光ビームスプリッター4の透過により、光路22に結合される。光路22上には、偏光ビームスプリッター4側から1/4波長板6およびセット部16がこの順で配置されている。 The optical path of the emitted light L1 emitted from the light source unit 2 is referred to as optical path 18. Furthermore, optical path 18 is coupled to optical path 20 by reflection from the polarizing beam splitter 4. On optical path 20, a quarter-wave plate 8 and an optical modulator 12 are arranged in this order from the polarizing beam splitter 4 side. Furthermore, optical path 18 is coupled to optical path 22 by transmission through the polarizing beam splitter 4. On optical path 22, a quarter-wave plate 6 and a set unit 16 are arranged in this order from the polarizing beam splitter 4 side.

また、光路20は、偏光ビームスプリッター4の透過により、光路24に結合される。光路24上には、偏光ビームスプリッター4側から検光子9および受光素子10がこの順で配置されている。 In addition, the optical path 20 is coupled to the optical path 24 by transmission through the polarizing beam splitter 4. On the optical path 24, an analyzer 9 and a light receiving element 10 are arranged in this order from the polarizing beam splitter 4 side.

光源部2から射出された出射光L1は、光路18および光路20を経て、光変調器12に入射する。また、出射光L1は、光路18および光路22を経て、被測定物14に入射する。光変調器12で生成された参照光L2は、光路20および光路24を経て、受光素子10に入射する。被測定物14での反射により生成された物体光L3は、光路22および光路24を経て、受光素子10に入射する。
以下、レーザー干渉計1の各部について順次説明する。
The outgoing light L1 emitted from the light source unit 2 passes through the optical path 18 and the optical path 20 and is incident on the optical modulator 12. The outgoing light L1 also passes through the optical path 18 and the optical path 22 and is incident on the object under test 14. The reference light L2 generated by the optical modulator 12 passes through the optical path 20 and the optical path 24 and is incident on the light receiving element 10. The object light L3 generated by reflection at the object under test 14 passes through the optical path 22 and the optical path 24 and is incident on the light receiving element 10.
Each part of the laser interferometer 1 will now be described in order.

1.1.1.光源部
光源部2は、可干渉性を有する線幅の細い出射光L1を射出するレーザー光源である。線幅を周波数差で表示した場合、線幅がMHz帯以下のレーザー光源が好ましく用いられる。具体的には、HeNeレーザーのようなガスレーザー、DFB-LD(Distributed feedback - laser diode)、FBG-LD(Fiber bragg Grating付き laser diode)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)のような半導体レーザー等が挙げられる。このうち、半導体レーザーは、光源部2の小型化を可能にする。
1.1.1. Light Source Unit The light source unit 2 is a laser light source that emits coherent emission light L1 with a narrow linewidth. When the linewidth is expressed as a frequency difference, a laser light source with a linewidth in the MHz range or less is preferably used. Specific examples include gas lasers such as HeNe lasers, DFB-LDs (Distributed Feedback - Laser Diodes), FBG-LDs (Laser Diodes with Fiber Bragg Gratings), and semiconductor lasers such as VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). Of these, semiconductor lasers enable the light source unit 2 to be made smaller.

1.1.2.偏光ビームスプリッター
偏光ビームスプリッター4は、入射光を透過光と反射光とに分割する光学素子である。また、偏光ビームスプリッター4は、P偏光を透過し、S偏光を反射させる機能を有し、入射光の偏光状態を直交成分に分けることができる。以下、直線偏光であって、P偏光とS偏光の比を例えば50:50にした出射光L1を、偏光ビームスプリッター4に入射させる場合を考える。
1.1.2. Polarizing beam splitter The polarizing beam splitter 4 is an optical element that splits incident light into transmitted light and reflected light. The polarizing beam splitter 4 also has the function of transmitting P-polarized light and reflecting S-polarized light, and can separate the polarization state of the incident light into orthogonal components. Hereinafter, we will consider the case where output light L1, which is linearly polarized and has a ratio of P-polarized light and S-polarized light of, for example, 50:50, is incident on the polarizing beam splitter 4.

偏光ビームスプリッター4では、前述したように、出射光L1のS偏光を反射し、P偏光を透過させる。 As described above, the polarizing beam splitter 4 reflects the S-polarized light of the output light L1 and transmits the P-polarized light.

偏光ビームスプリッター4で反射した出射光L1のS偏光は、1/4波長板8で円偏光に変換され、光変調器12に入射する。光変調器12に入射した出射光L1の円偏光は、f(Hz)の周波数シフトを受け、参照光L2として反射する。したがって、参照光L2は、変調周波数f(Hz)の変調信号を含む。参照光L2は、再び1/4波長板8を透過するときP偏光に変換される。参照光L2のP偏光は、偏光ビームスプリッター4および検光子9を透過して受光素子10に入射する。 The S-polarized light of the output light L1 reflected by the polarizing beam splitter 4 is converted to circularly polarized light by the quarter-wave plate 8 and enters the optical modulator 12. The circularly polarized light of the output light L1 that enters the optical modulator 12 is frequency shifted by f M (Hz) and reflected as reference light L2. Therefore, the reference light L2 contains a modulation signal with a modulation frequency f M (Hz). The reference light L2 is converted to P-polarized light when it passes through the quarter-wave plate 8 again. The P-polarized light of the reference light L2 passes through the polarizing beam splitter 4 and the analyzer 9 and enters the light-receiving element 10.

偏光ビームスプリッター4を透過した出射光L1のP偏光は、1/4波長板6で円偏光に変換され、動いている状態の被測定物14に入射する。被測定物14に入射した出射光L1の円偏光は、f(Hz)のドップラーシフトを受け、物体光L3として反射する。したがって、物体光L3は、周波数f(Hz)の周波数信号を含む。物体光L3は、再び1/4波長板6を透過するときS偏光に変換される。物体光L3のS偏光は、偏光ビームスプリッター4で反射され、検光子9を透過して受光素子10に入射する。 The P-polarized light of the output light L1 that has passed through the polarizing beam splitter 4 is converted to circularly polarized light by the quarter-wave plate 6 and enters the moving object 14 under test. The circularly polarized light of the output light L1 that has entered the object 14 under test is subjected to a Doppler shift of f d (Hz) and is reflected as object light L3. Therefore, the object light L3 contains a frequency signal with a frequency of f d (Hz). The object light L3 is converted to S-polarized light when it passes through the quarter-wave plate 6 again. The S-polarized light of the object light L3 is reflected by the polarizing beam splitter 4, passes through the analyzer 9 and enters the light-receiving element 10.

前述したように、出射光L1は可干渉性を有しているため、参照光L2および物体光L3は、干渉光として受光素子10に入射する。 As mentioned above, the emitted light L1 is coherent, so the reference light L2 and the object light L3 are incident on the light receiving element 10 as interference light.

なお、偏光ビームスプリッターに代えて無偏光ビームスプリッターを用いるようにしてもよい。この場合、1/4波長板6および1/4波長板8が不要となるため、部品点数の削減によるレーザー干渉計1の小型化を図ることができる。 In addition, a non-polarized beam splitter may be used instead of the polarized beam splitter. In this case, the quarter-wave plate 6 and the quarter-wave plate 8 are not required, and the number of parts can be reduced, thereby making the laser interferometer 1 more compact.

1.1.3.検光子
検光子9は、互いに直交するS偏光およびP偏光は、互いに独立しているので、単純に重ね合わせただけでは干渉が現れない。そこで、S偏光とP偏光を重ね合わせた光波を、S偏光およびP偏光の双方に対して45°傾けた検光子9に通す。検光子9を用いることにより、互いに共通した成分同士の光を透過させ、干渉を生じさせることができる。その結果、検光子9では、f-f(Hz)の周波数を持つ干渉光が生成される。
1.1.3. Analyzer The analyzer 9 is used because the mutually orthogonal S-polarized and P-polarized light are independent of each other, and so simply superimposing them does not produce interference. Therefore, the light waves in which S-polarized and P-polarized light are superimposed are passed through an analyzer 9 that is tilted at 45 degrees with respect to both the S-polarized and P-polarized light. By using the analyzer 9, it is possible to transmit light of components that are common to each other, causing interference. As a result, the analyzer 9 generates interference light with a frequency of f M -f d (Hz).

1.1.4.受光素子
参照光L2および物体光L3は、偏光ビームスプリッター4および検光子9を介して受光素子10に入射する。これにより、参照光L2と物体光L3とが光ヘテロダイン干渉し、f-f(Hz)の周波数を持つ干渉光が受光素子10に入射する。この干渉光から後述する方法で周波数信号や位相信号等のサンプル信号を復調することにより、最終的に、被測定物14の動き、すなわち速度や振動または変位を求めることができる。受光素子10としては、例えば、フォトダイオード等が挙げられる。
1.1.4. Light-receiving element The reference light L2 and the object light L3 are incident on the light-receiving element 10 via the polarizing beam splitter 4 and the analyzer 9. As a result, the reference light L2 and the object light L3 undergo optical heterodyne interference, and interference light having a frequency of f M -f d (Hz) is incident on the light-receiving element 10. By demodulating a sample signal such as a frequency signal or a phase signal from this interference light using a method described below, it is possible to finally determine the movement of the object 14 to be measured, that is, the speed, vibration, or displacement. The light-receiving element 10 may be, for example, a photodiode.

1.1.5.光変調器
以下、光変調器12を、振動素子の形態に基づき、4つの構成例に分けて説明する。
1.1.5. Optical Modulator Hereinafter, the optical modulator 12 will be described with four configuration examples based on the form of the vibration element.

1.1.5.1.第1構成例
まず、光変調器12の第1構成例について説明する。図2は、図1に示す光変調器12の第1構成例を示す概念図である。
1.1.5.1 First Configuration Example First, a description will be given of a first configuration example of the optical modulator 12. Fig. 2 is a conceptual diagram showing the first configuration example of the optical modulator 12 shown in Fig. 1.

図2に示す光変調器12は、圧電素子を含む振動素子3Aを備えている。圧電素子は、電圧を加えると変形する性質を有し、電圧を変化させることにより振動周波数が可変となる素子である。振動素子3Aは、圧電素子である素子本体31と、素子本体31に設けられた光反射膜32と、を有している。 The optical modulator 12 shown in FIG. 2 has a vibration element 3A that includes a piezoelectric element. A piezoelectric element has the property of deforming when a voltage is applied, and the vibration frequency can be changed by changing the voltage. The vibration element 3A has an element body 31 that is a piezoelectric element, and a light reflecting film 32 provided on the element body 31.

振動素子3Aがこのような圧電素子を有することにより、構造が簡単で低コスト化が容易な光変調器12を実現することができる。 By having such a piezoelectric element in the vibration element 3A, it is possible to realize an optical modulator 12 that has a simple structure and is easy to reduce cost.

図2に示す素子本体31は、図2の上下方向に伸縮振動する振動モードを有する。素子本体31は、圧電材料で構成されている。この圧電材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛等の圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン等の圧電プラスチック等が挙げられる。 The element body 31 shown in FIG. 2 has a vibration mode in which it vibrates in an expanding and contracting manner in the vertical direction of FIG. 2. The element body 31 is made of a piezoelectric material. Examples of the piezoelectric material include piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, and lead titanate, and piezoelectric plastics such as polyvinylidene fluoride.

光反射膜32は、素子本体31の振動方向に交差するように広がるミラー膜で構成されている。ミラー膜としては、例えば、金属膜、誘電体多層膜等が挙げられる。 The light reflecting film 32 is composed of a mirror film that spreads so as to intersect with the vibration direction of the element body 31. Examples of the mirror film include a metal film and a dielectric multilayer film.

このような振動素子3Aは、前述したように、図2の上下方向に単振動を発生させる。単振動とは、所定の振幅および所定の周期で往復する運動のことをいう。単振動の振幅や周期は、振動素子3Aに加える電圧信号の波形を正弦波またはそれに準じた波形にすることによって、比較的精度よく制御される。このため、単振動を発生させる振動素子3Aを用いることにより、光反射面の振動速度を精度よく制御することができる。これにより、高精度で安定した変調信号を生成することができる。 As described above, such a vibration element 3A generates a simple harmonic motion in the vertical direction in FIG. 2. Simple harmonic motion refers to a reciprocating motion with a predetermined amplitude and a predetermined period. The amplitude and period of the simple harmonic motion can be controlled with relatively high precision by making the waveform of the voltage signal applied to the vibration element 3A a sine wave or a waveform similar to that. Therefore, by using a vibration element 3A that generates a simple harmonic motion, the vibration speed of the light reflecting surface can be controlled with high precision. This makes it possible to generate a highly accurate and stable modulation signal.

振動素子3Aでは、光反射膜32の上面が出射光L1を反射する光反射面となる。振動素子3Aは、面内振動、すなわち光反射面と平行に振動する素子であってもよいが、本実施形態では、面外振動、すなわち光反射面と交差する面外方向に振動する素子である。このような面外方向に振動する振動素子3Aを用いることにより、光変調器12の小型化を図りやすいという利点が得られる。 In the vibration element 3A, the upper surface of the light reflecting film 32 becomes the light reflecting surface that reflects the emitted light L1. The vibration element 3A may be an element that vibrates in-plane, i.e., vibrates parallel to the light reflecting surface, but in this embodiment, it is an element that vibrates out-of-plane, i.e., vibrates in an out-of-plane direction that intersects with the light reflecting surface. By using such a vibration element 3A that vibrates in an out-of-plane direction, the advantage is obtained that it is easier to miniaturize the optical modulator 12.

1.1.5.2.光変調器による周波数シフトの原理
次に、光変調器12による周波数シフトの原理について説明するが、その説明に先立ち、まず、被測定物14によるドップラーシフトの原理を説明する。
1.1.5.2. Principle of Frequency Shift by Optical Modulator Next, the principle of frequency shift by the optical modulator 12 will be explained. Prior to that explanation, however, the principle of Doppler shift by the object under test 14 will first be explained.

Vベクトルで動いている被測定物14に周波数fの出射光L1を照射すると、被測定物14において、ドップラー効果による周波数シフトを受ける。被測定物14による周波数シフト(ドップラーシフト)をfとすると、周波数f+fの物体光L3が被測定物14から散乱される。ドップラーシフトfは、下記の式(1)で求められる。 When the output light L1 with frequency f0 is irradiated onto the object under test 14 moving with the V vector, the object under test 14 undergoes a frequency shift due to the Doppler effect. If the frequency shift (Doppler shift) due to the object under test 14 is fd , then object light L3 with frequency f0 + fd is scattered from the object under test 14. The Doppler shift fd can be calculated by the following formula (1).

Figure 0007491142000001
Figure 0007491142000001

ここで、出射光L1が入射する方向に沿って、入射方向とは逆の方向に被測定物14が速度Vで動いており、かつ、入射した出射光L1が被測定物14で反射して入射光と同じ光路を逆にたどる場合を考える。この場合、k=-kとなるので、上記式(1)は、下記式(2)のようになる。 Here, consider a case where the object 14 to be measured is moving at a speed V in a direction opposite to the incident direction of the outgoing light L1, and the incident outgoing light L1 is reflected by the object 14 to trace the same optical path as the incident light in the opposite direction. In this case, k s = -k i , so the above formula (1) becomes the following formula (2).

Figure 0007491142000002
Figure 0007491142000002

上記式(2)から明らかなように、ドップラーシフトfは、被測定物14の速度Vと線形の関係で導かれる。したがって、レーザー干渉計1でドップラーシフトfを求めることができれば、非接触、かつ、校正作業を行わずに、被測定物14の速度Vを計測することが可能になる。 As is clear from the above formula (2), the Doppler shift fd is derived in a linear relationship with the velocity V of the object 14. Therefore, if the Doppler shift fd can be obtained by the laser interferometer 1, it becomes possible to measure the velocity V of the object 14 in a non-contact manner and without performing a calibration procedure.

続いて、光変調器12による周波数シフトの原理について説明する。
光変調器12の光反射膜32に出射光L1が入射すると、出射光L1がドップラー効果による周波数変調を受けて、変調信号を含む参照光L2が生成される。変調信号の周波数を変調周波数fとすると、変調周波数fは、下記の式(3)で求められる。
Next, the principle of frequency shift by the optical modulator 12 will be described.
When the output light L1 is incident on the light reflecting film 32 of the optical modulator 12, the output light L1 is frequency modulated by the Doppler effect, and a reference light L2 containing a modulated signal is generated. If the frequency of the modulated signal is a modulation frequency fM , the modulation frequency fM can be calculated by the following formula (3).

Figure 0007491142000003
Figure 0007491142000003

ベクトルは、光変調器12に入射する出射光L1の波数ベクトルであり、kベクトルは、光変調器12で散乱された散乱光の波数ベクトルである。なお、光反射膜32では、散乱光を反射光とみなすことができるので、kベクトルは、反射光の波数ベクトルとみなすことができる。また、vベクトルは、光反射面の速度である。 The k i vector is the wave vector of the output light L1 entering the optical modulator 12, and the k s vector is the wave vector of the scattered light scattered by the optical modulator 12. Since the scattered light can be regarded as reflected light in the optical reflecting film 32, the k s vector can be regarded as the wave vector of the reflected light. Furthermore, the v vector is the speed of the optical reflecting surface.

ここで、出射光L1を光反射面に垂直に入射させることを考える。この場合、k=-kとなるので、上記式(3)は、下記式(4)のようになる。 Here, consider that the outgoing light L1 is perpendicularly incident on the light reflecting surface. In this case, k s =-k i , and therefore the above formula (3) becomes the following formula (4).

Figure 0007491142000004
Figure 0007491142000004

θは、光変調器12から出射される参照光L2の進行方向と、光反射面の速度方向と、のなす角度である。また、λは、光反射面に入射させる出射光L1の波長である。 θ is the angle between the direction of travel of the reference light L2 emitted from the optical modulator 12 and the speed direction of the light reflecting surface. Also, λ is the wavelength of the emitted light L1 that is incident on the light reflecting surface.

ここで、参照光L2の進行方向と、光反射面の速度方向と、が一致する場合を考える。この場合、θ=0であるため、上記式(4)は、下記式(5)のようになる。 Now consider the case where the traveling direction of the reference light L2 and the speed direction of the light reflecting surface are the same. In this case, θ = 0, so the above formula (4) becomes the following formula (5).

Figure 0007491142000005
Figure 0007491142000005

一方、光反射面の速度を考える。光反射面の変位振幅をL(m)とし、光反射面の振動周波数をf(Hz)とする。このとき、光反射面の位置L(m)は、下記式(6)で求められ、光反射面の速度v(m/s)は、下記式(7)で求められる。 On the other hand, consider the speed of the light reflecting surface. The displacement amplitude of the light reflecting surface is L 0 (m), and the vibration frequency of the light reflecting surface is f a (Hz). In this case, the position L (m) of the light reflecting surface is calculated by the following formula (6), and the speed v (m/s) of the light reflecting surface is calculated by the following formula (7).

Figure 0007491142000006
Figure 0007491142000006

Figure 0007491142000007
Figure 0007491142000007

これらの式(6)および式(7)により、前述した変調周波数fは、下記式(8)で求められる。 From these equations (6) and (7), the above-mentioned modulation frequency fM can be obtained by the following equation (8).

Figure 0007491142000008
Figure 0007491142000008

上記式(8)から分かるように、変調周波数fは、振動素子3Aの単振動に合わせて変動する。そして、瞬間的な最大変調周波数fMmaxは、下記式(9)で求められる。 As can be seen from the above formula (8), the modulation frequency fM varies in accordance with the simple harmonic motion of the vibration element 3A. The instantaneous maximum modulation frequency fMmax is calculated by the following formula (9).

Figure 0007491142000009
Figure 0007491142000009

ここで、参照光L2の進行方向と、光反射面の最大速度方向と、が一致する場合を考える。この場合、式(9)ではθ=0となるため、最大変調周波数fMmaxは、下記式(10)で求められる。 Here, consider a case where the traveling direction of the reference light L2 coincides with the maximum speed direction of the light reflecting surface. In this case, since θ=0 in equation (9), the maximum modulation frequency fMmax can be obtained by the following equation (10).

Figure 0007491142000010
Figure 0007491142000010

以上のように、最大変調周波数fMmaxを大きくするには、θ=0またはそれに近い値であることが好ましい。これを踏まえても、振動素子3Aは、面内振動する素子であるよりも、面外振動する素子であることが好ましい。 As described above, in order to increase the maximum modulation frequency fMmax , it is preferable that θ = 0 or a value close to 0. In light of this, it is preferable that the vibration element 3A is an element that vibrates out of plane rather than an element that vibrates in plane.

なお、振動素子3Aは、印加する電圧および周波数を変更することにより、変位振幅Lおよび振動周波数fを変化させることができる。これにより、最大変調周波数fMmaxを調整することが可能になる。 The vibration element 3A can change the displacement amplitude L0 and the vibration frequency f a by changing the applied voltage and frequency, thereby making it possible to adjust the maximum modulation frequency f Mmax .

1.1.5.3.第2構成例
次に、光変調器12の第2構成例について説明する。図3は、図1に示す光変調器12の第2構成例を示す概念図である。
1.1.5.3 Second Configuration Example Next, a description will be given of a second configuration example of the optical modulator 12. Fig. 3 is a conceptual diagram showing the second configuration example of the optical modulator 12 shown in Fig. 1.

以下、第2構成例について説明するが、以下の説明では、第1構成例との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図3において、前記構成例と同様の構成については、同一の符号を付している。 The second configuration example will be described below, but in the following explanation, the differences from the first configuration example will be mainly described, and explanations of similar points will be omitted. Note that in FIG. 3, the same reference numerals are used for configurations similar to the above configuration example.

図3に示す光変調器12は、圧電素子を含む振動素子3Aと、ミラー33と、を備えている。 The optical modulator 12 shown in FIG. 3 includes a vibration element 3A including a piezoelectric element and a mirror 33.

図3に示す光変調器12では、振動素子3Aの光反射面に入射したkベクトルの光が、光反射面で反射し、k1sベクトルの光としてミラー33に入射する。k1sベクトルの光は、ミラー33に対して入射角ゼロで入射するため、出射角もゼロになり、同じ角度で振動素子3Aの光反射面に入射する。k1sベクトルの光は、光反射面で再び反射し、kベクトルの光と同じ光路をたどって進行する。 3, the light of the k i vector incident on the light reflecting surface of the vibration element 3A is reflected by the light reflecting surface and enters the mirror 33 as light of the k 1s vector. Since the light of the k 1s vector enters the mirror 33 at an incident angle of zero, the exit angle is also zero, and the light of the k 1s vector enters the light reflecting surface of the vibration element 3A at the same angle. The light of the k 1s vector is reflected again by the light reflecting surface and travels along the same optical path as the light of the k i vector.

このようにミラー33を経由させることで、光変調器12で生成される参照光L2は、2回の周波数変調を受けたものとなる。したがって、ミラー33を併用することにより、振動素子3A単体を用いた場合に比べて、より高周波の周波数変調が可能になる。 By passing the light through the mirror 33 in this way, the reference light L2 generated by the optical modulator 12 is subjected to two frequency modulations. Therefore, by using the mirror 33 in combination, higher frequency modulation is possible compared to using the vibration element 3A alone.

前述した光反射面による2回の反射のうち、1回目の反射による変調周波数をfM1とし、2回目の反射による変調周波数fM2とする。 Of the two reflections by the light reflecting surface described above, the modulation frequency due to the first reflection is designated as f M1 , and the modulation frequency due to the second reflection is designated as f M2 .

は、出射光L1の周波数であるが、f>>fという関係があるため、変調周波数fM1、fM2は、下記式(11)および下記式(12)に示すように、それぞれfに等しいとみなすことができる。 f 0 is the frequency of the output light L1, and since there is a relationship of f 0 >>f M , the modulation frequencies f M1 and f M2 can be considered to be equal to f M , as shown in the following equations (11) and (12), respectively.

Figure 0007491142000011
Figure 0007491142000011

これを踏まえると、図3に示す光変調器12で生成される参照光L2は、出射光L1に変調周波数f’の周波数シフトを与えたものではあるが、この変調周波数f’は、2fとみなすことができる。そうすると、f’は、下記式(13)で与えられる。 In light of this, although the reference light L2 generated by the optical modulator 12 shown in Fig. 3 is the output light L1 given a frequency shift of the modulation frequency fM ', this modulation frequency fM ' can be regarded as 2fM . In that case, fM ' is given by the following equation (13).

Figure 0007491142000012
Figure 0007491142000012

これにより、本構成例では、より高周波の周波数変調が可能になることがわかる。以上のような第2構成例においても、第1構成例と同様の効果が得られる。 As a result, it can be seen that this configuration example enables higher frequency modulation. The second configuration example described above also provides the same effect as the first configuration example.

1.1.5.4.第3構成例
次に、光変調器12の第3構成例について説明する。図4は、図1に示す光変調器12の第3構成例を示す概念図である。
1.1.5.4 Third Configuration Example Next, a description will be given of a third configuration example of the optical modulator 12. Fig. 4 is a conceptual diagram showing the third configuration example of the optical modulator 12 shown in Fig. 1.

以下、第3構成例について説明するが、以下の説明では、第1構成例との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図4において、前記構成例と同様の構成については、同一の符号を付している。 The third configuration example will be described below. In the following explanation, the differences from the first configuration example will be mainly described, and the explanation of the similar points will be omitted. In addition, in FIG. 4, the same reference numerals are used for the same configuration as the previous configuration example.

図4に示す光変調器12は、MEMS振動ミラー素子を含む振動素子3Bを備えている。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)は、微小電気機械システムのことである。MEMS振動ミラー素子は、図示しないトーションバー同士の間に懸架された可動部34と、可動部34の表面に設けられた光反射膜32と、を備えている。 The optical modulator 12 shown in FIG. 4 has a vibration element 3B including a MEMS vibration mirror element. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) stands for microelectromechanical systems. The MEMS vibration mirror element has a movable part 34 suspended between torsion bars (not shown) and a light reflecting film 32 provided on the surface of the movable part 34.

可動部34は、トーションバーとともに、MEMS技術を用いて形成されている。可動部34は、トーションバーを回動軸Axとして、回動軸Axまわりに回動往復運動をする。可動部34を駆動する方式としては、例えば、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電駆動方式等が挙げられる。 The movable part 34 is formed together with the torsion bar using MEMS technology. The movable part 34 rotates back and forth around the rotation axis Ax, with the torsion bar as the rotation axis Ax. Methods for driving the movable part 34 include, for example, an electromagnetic drive method, an electrostatic drive method, a piezoelectric drive method, etc.

一方、可動部34は、回動往復運動をするので、光反射面は、入射光の光軸に対して様々な方向を向く。このため、光反射面に入射したkベクトルの光(出射光L1)は、光反射面の向きに応じて、様々な方向に散乱する。図4では、光反射面で様々な方向に反射された光の例として、k1sベクトルの光、k2sベクトルの光、k3sベクトルの光を図示している。これらは、いずれも参照光L2に相当する。 On the other hand, since the movable part 34 performs a reciprocating rotational motion, the light reflecting surface faces various directions with respect to the optical axis of the incident light. Therefore, the light of the k i vector (emitted light L1) incident on the light reflecting surface is scattered in various directions according to the orientation of the light reflecting surface. In FIG. 4, as examples of light reflected in various directions by the light reflecting surface, light of the k 1s vector, light of the k 2s vector, and light of the k 3s vector are illustrated. All of these correspond to the reference light L2.

ここで、後述する復調処理では、振動素子3Bの振動速度が最も大きい時間帯に、間欠処理の実行期間を設定することによって、サンプル信号の復調精度を高めることができる。そこで、振動素子3Bの場合、光反射面が回動角度幅の中心に位置しているとき、振動速度が最大になる。このように光反射面の振動速度が最大になるときに、入射光であるkベクトルの光が反射してなる光であり、かつ、その光路が、入射光であるkベクトルの光と重なる光を、k1sベクトルの光とする。このk1sベクトルの光を選択的に取り出すことができれば、それ以外の光が混入しにくくなるので、復調処理においてサンプル信号のS/N比(Signal Noise Ratio)を高めることができる。 Here, in the demodulation process described later, the execution period of the intermittent process is set to the time zone where the vibration speed of the vibration element 3B is the largest, thereby improving the demodulation accuracy of the sample signal. Therefore, in the case of the vibration element 3B, when the light reflecting surface is located at the center of the rotation angle width, the vibration speed is the largest. When the vibration speed of the light reflecting surface is maximized in this way, the light that is the light of the k i vector, which is the incident light, is reflected, and the light path overlaps with the light of the k i vector, which is the incident light, is the light of the k 1s vector. If the light of this k 1s vector can be selectively extracted, other light is less likely to be mixed in, so that the signal-to-noise ratio (S/N) of the sample signal can be increased in the demodulation process.

図4に示す光変調器12は、遮光部35を備えている。遮光部35は、開口部351を有している。遮光部35は、この開口部351を介してk1sベクトルの光を通過させ、それ以外の光を遮光するように構成されている。これにより、k2sベクトルの光やk3sベクトルの光で代表される、k1sベクトル以外のベクトルを持つ光が受光素子10に入射するのを抑制することができる。その結果、サンプル信号のS/N比を低下させる成分が遮光部35でカットされることになるため、より正確なサンプル信号を復調することができる。 The optical modulator 12 shown in FIG. 4 includes a light shielding section 35. The light shielding section 35 has an opening 351. The light shielding section 35 is configured to pass light of the k 1s vector through the opening 351 and to shield other light. This makes it possible to suppress light having vectors other than the k 1s vector, such as light of the k 2s vector and light of the k 3s vector, from entering the light receiving element 10. As a result, components that reduce the S/N ratio of the sample signal are cut by the light shielding section 35, so that the sample signal can be demodulated more accurately.

遮光部35は、遮光機能を有する部材であれば、構成材料等は限定されない。また、遮光機能を有する部材に代えて、屈折、反射、散乱等により、結果的に遮光する部材を用いるようにしてもよい。 The light-shielding portion 35 is not limited in terms of its constituent material, etc., so long as it is a material that has a light-shielding function. In addition, instead of a material that has a light-shielding function, a material that ultimately blocks light through refraction, reflection, scattering, etc. may be used.

以上のように、本構成例では、振動素子3BがMEMS振動ミラー素子を有している。このような構成によれば、MEMS振動ミラー素子の特徴を有効に利用することができる。つまり、小型化が容易で、駆動周波数が十分に大きく、かつ、変位振幅も大きい振動素子3Bを実現することができる。その結果、計測可能な被測定物14の動きの周波数帯域または速度範囲を十分に広げることができ、小型で高性能なレーザー干渉計1を実現することができる。 As described above, in this configuration example, the vibration element 3B has a MEMS vibrating mirror element. With this configuration, the characteristics of the MEMS vibrating mirror element can be effectively utilized. In other words, it is possible to realize a vibration element 3B that is easy to miniaturize, has a sufficiently large drive frequency, and has a large displacement amplitude. As a result, it is possible to sufficiently widen the frequency band or speed range of the measurable movement of the object to be measured 14, and a small, high-performance laser interferometer 1 can be realized.

また、本構成例では、光変調器12が、参照光L2(第2レーザー光)の光路上に設けられ、参照光L2の一部を遮光する遮光部35を備えている。換言すれば、図4に示す光変調器12は、図4に示すk1sベクトルの光を通過させ、k2sベクトルの光およびk3sベクトルの光を遮光する遮光部35を備えている。 In this configuration example, the optical modulator 12 is provided on the optical path of the reference light L2 (second laser light) and includes a light blocking section 35 that blocks a part of the reference light L2. In other words, the optical modulator 12 shown in Fig. 4 includes a light blocking section 35 that transmits the light of the k 1s vector shown in Fig. 4 and blocks the light of the k 2s vector and the light of the k 3s vector.

このような構成によれば、振動素子3Bの振動速度が最も大きい時間帯に光反射面で反射したk1sベクトルの光を、受光素子10に選択的に導くことができる。これにより、サンプル信号の復調精度を高めることができる。 According to this configuration, the light of the k 1s vector reflected by the light reflecting surface during the time period when the vibration velocity of the vibration element 3B is the largest can be selectively guided to the light receiving element 10. This can improve the demodulation accuracy of the sample signal.

なお、MEMS振動ミラー素子も、可動部34を駆動する駆動部に印加する電圧および周波数を変更することにより、変位振幅Lおよび振動周波数fを変化させることができる。これにより、最大変調周波数fMmaxを調整することが可能である。 In addition, the MEMS vibrating mirror element can also change the displacement amplitude L0 and the vibration frequency f a by changing the voltage and frequency applied to the driving part that drives the movable part 34. This makes it possible to adjust the maximum modulation frequency f Mmax .

図5は、MEMS振動ミラー素子の駆動部に印加する電圧と、このMEMS振動ミラー素子の振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅の各測定値と、の関係を示すグラフである。なお、図5には、MEMS振動ミラー素子の振動周波数を1235Hzとし、共振周波数で駆動したときの測定結果を示している。また、最大変調周波数を示したグラフには、MEMS振動ミラー素子に入射させる光として、波長632nmの光と波長850nmの光を用いた場合の測定結果を併せて示している。 Figure 5 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the drive unit of the MEMS vibrating mirror element and the measured values of the maximum vibration speed, maximum modulation frequency, and displacement amplitude of this MEMS vibrating mirror element. Note that Figure 5 shows the measurement results when the vibration frequency of the MEMS vibrating mirror element is set to 1235 Hz and it is driven at the resonant frequency. The graph showing the maximum modulation frequency also shows the measurement results when light with a wavelength of 632 nm and light with a wavelength of 850 nm are used as the light incident on the MEMS vibrating mirror element.

図5では、MEMS振動ミラー素子の駆動部に印加する電圧を上げると、振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅の各測定値がいずれも増加していることが認められる。この結果を踏まえても、振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅は、駆動条件の変更によって調整することが可能であることがわかる。
以上のような第3構成例においても、第1構成例と同様の効果が得られる。
In Fig. 5, it can be seen that when the voltage applied to the driving part of the MEMS vibrating mirror element is increased, the measured values of the maximum vibration speed, the maximum modulation frequency, and the displacement amplitude all increase. Based on this result, it can be seen that the maximum vibration speed, the maximum modulation frequency, and the displacement amplitude can be adjusted by changing the driving conditions.
In the third configuration example as described above, the same effects as in the first configuration example can be obtained.

1.1.5.5.第4構成例
次に、光変調器12の第4構成例について説明する。図6は、図1に示す光変調器12の第4構成例を示す概念図である。
1.1.5.5 Fourth Configuration Example Next, a description will be given of a fourth configuration example of the optical modulator 12. Fig. 6 is a conceptual diagram showing the fourth configuration example of the optical modulator 12 shown in Fig. 1.

以下、第4構成例について説明するが、以下の説明では、第3構成例との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図6において、前記構成例と同様の構成については、同一の符号を付している。 The fourth configuration example will be described below. In the following explanation, the differences from the third configuration example will be mainly described, and the explanation of the similar points will be omitted. In addition, in FIG. 6, the same reference numerals are used for the same configuration as the previous configuration example.

図6に示す光変調器12は、シリコン振動子または水晶振動子で構成された振動片36を有する振動素子3Cを備えている。振動片36は、図6に示すように、一端が支持され、他端が自由端になるように配置された、いわゆる片持ち梁型の振動片である。また、振動片36には、光反射膜32が設けられている。 The optical modulator 12 shown in FIG. 6 includes a vibration element 3C having a vibration arm 36 made of a silicon vibrator or a quartz crystal vibrator. As shown in FIG. 6, the vibration arm 36 is a so-called cantilever type vibration arm that is supported at one end and arranged so that the other end is a free end. In addition, the vibration arm 36 is provided with a light reflecting film 32.

シリコン振動子で構成された振動片36は、図示しない駆動部により駆動され、厚み方向に屈曲振動する。駆動部の駆動方式としては、例えば、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電駆動方式等が挙げられる。 The vibration arm 36, which is made of a silicon vibrator, is driven by a drive unit (not shown) and vibrates in a bending manner in the thickness direction. Examples of the drive system of the drive unit include an electromagnetic drive system, an electrostatic drive system, and a piezoelectric drive system.

一方、水晶振動子で構成された振動片36は、水晶が示す逆圧電効果により、厚み方向に屈曲振動する。 On the other hand, the vibrating piece 36, which is made of a quartz crystal, vibrates in a bending manner in the thickness direction due to the inverse piezoelectric effect exhibited by the quartz crystal.

このような振動片36は、屈曲往復運動をするので、光反射面は、入射光の光軸に対して様々な方向を向く、このため、光反射面に入射したkベクトルの光(出射光L1)は、光反射面の向きに応じて、様々な方向に散乱する。図6では、光反射面で様々な方向に反射された光の例として、k1sベクトルの光、k2sベクトルの光、k3sベクトルの光を図示している。これらは、いずれも参照光L2に相当する。 Since such a vibrating arm 36 performs a bending reciprocating motion, the light reflecting surface faces various directions with respect to the optical axis of the incident light, and therefore the light of the k i vector (output light L1) that is incident on the light reflecting surface is scattered in various directions according to the orientation of the light reflecting surface. In Fig. 6, light of the k 1s vector, light of the k 2s vector, and light of the k 3s vector are illustrated as examples of light reflected in various directions by the light reflecting surface. All of these correspond to the reference light L2.

図6に示す光変調器12は、遮光部35を備えている。遮光部35は、開口部351を有している。遮光部35は、この開口部351を介してk1sベクトルの光を通過させ、それ以外の光を遮光するように構成されている。これにより、k2sベクトルの光やk3sベクトルの光で代表される、k1sベクトル以外のベクトルを持つ光が受光素子10に入射するのを抑制することができる。その結果、サンプル信号のS/N比を低下させる成分が遮光部35でカットされることになるため、より正確なサンプル信号を復調することができる。 The optical modulator 12 shown in FIG. 6 includes a light shielding section 35. The light shielding section 35 has an opening 351. The light shielding section 35 is configured to pass light of the k 1s vector through the opening 351 and to shield other light. This makes it possible to suppress light having vectors other than the k 1s vector, such as light of the k 2s vector and light of the k 3s vector, from being incident on the light receiving element 10. As a result, components that reduce the S/N ratio of the sample signal are cut by the light shielding section 35, so that the sample signal can be demodulated more accurately.

なお、シリコン振動子および水晶振動子も、駆動部や電極に印加する電圧および周波数を変更することにより、変位振幅Lおよび振動周波数fを変化させることができる。これにより、最大変調周波数fMmaxを調整することが可能である。 In addition, the silicon vibrator and the quartz crystal vibrator can also change the displacement amplitude L0 and the vibration frequency f a by changing the voltage and frequency applied to the driving unit and the electrodes. This makes it possible to adjust the maximum modulation frequency f Mmax .

以上のように、本構成例では、振動素子3Cがシリコン振動子または水晶振動子を有している。このような構成によれば、シリコン振動子や水晶振動子の特徴を有効に利用することができる。つまり、小型化が容易で、駆動周波数が十分に大きく、かつ、変位振幅も大きい振動素子3Cを実現することができる。その結果、計測可能な被測定物14の動きの周波数帯域または速度範囲を十分に広げることができ、小型で高性能なレーザー干渉計1を実現することができる。
以上のような第4構成例においても、第1構成例と同様の効果が得られる。
As described above, in this configuration example, the vibration element 3C has a silicon vibrator or a quartz crystal vibrator. With this configuration, the characteristics of the silicon vibrator or the quartz crystal vibrator can be effectively utilized. In other words, it is possible to realize a vibration element 3C that is easy to miniaturize, has a sufficiently large driving frequency, and has a large displacement amplitude. As a result, it is possible to sufficiently widen the frequency band or speed range of the measurable movement of the measured object 14, and to realize a small-sized, high-performance laser interferometer 1.
In the fourth configuration example as described above, the same effects as in the first configuration example can be obtained.

1.2.復調回路
復調回路52は、受光素子10から出力された受光信号から周波数信号や位相信号等のサンプル信号を復調する復調処理を行う。サンプル信号を復調する方法としては、特に限定されないが、公知の直交検波法が挙げられる。直交検波法は、受光信号に対し、互いに直交する信号を外部から混合する操作を行うことにより、受光信号に復調処理を施す方法である。
1.2 Demodulation Circuit The demodulation circuit 52 performs demodulation processing to demodulate the light receiving signal output from the light receiving element 10 into a sample signal such as a frequency signal or a phase signal. There is no particular limitation on the method for demodulating the sample signal, but a well-known quadrature detection method is an example. The quadrature detection method is a method of performing demodulation processing on the light receiving signal by performing an operation of externally mixing mutually orthogonal signals on the light receiving signal.

図7は、直交検波法による復調処理を行う復調回路を示すブロック図である。図7に示す復調回路の構成は、公知のデジタル回路の回路構成であり、変調周波数が変化しない音響光学素子(AOM)のような光変調器を用いて変調された光に基づく受光信号から周波数信号を復調するために用いられる。 Figure 7 is a block diagram showing a demodulation circuit that performs demodulation processing using quadrature detection. The configuration of the demodulation circuit shown in Figure 7 is a circuit configuration of a known digital circuit, and is used to demodulate a frequency signal from a received light signal based on light modulated using an optical modulator such as an acousto-optical element (AOM) whose modulation frequency does not change.

図7に示す復調回路52は、ハイパスフィルター521と、乗算器522a、522bと、局部発振器523a、523bと、ローパスフィルター525a、525bと、除算器530と、逆正接演算回路532と、微分回路533と、振幅調整回路534と、を備えている。 The demodulation circuit 52 shown in FIG. 7 includes a high-pass filter 521, multipliers 522a and 522b, local oscillators 523a and 523b, low-pass filters 525a and 525b, a divider 530, an arctangent calculation circuit 532, a differentiation circuit 533, and an amplitude adjustment circuit 534.

復調処理では、まず、受光素子10から出力された受光信号を、ハイパスフィルター521に通して直流成分を除去した後、2つに分割する。分割後の一方の受光信号に対し、乗算器522aにおいて、局部発振器523aから出力した発振周波数信号cosωtを乗算する。分割後の他方の受光信号に対しては、乗算器522bにおいて、局部発振器523bから出力した発振周波数信号-sinωtを乗算する。発振周波数信号cosωtと発振周波数信号-sinωtは、互いに位相が90°ずれた信号である。 In the demodulation process, first, the light receiving signal output from the light receiving element 10 is passed through a high pass filter 521 to remove the DC component, and then split into two. One of the split light receiving signals is multiplied by an oscillation frequency signal cosω M t output from a local oscillator 523a in a multiplier 522a. The other of the split light receiving signals is multiplied by an oscillation frequency signal -sin ω M t output from a local oscillator 523b in a multiplier 522b. The oscillation frequency signal cos ω M t and the oscillation frequency signal -sin ω M t are signals whose phases are shifted by 90° from each other.

乗算器522aを通した受光信号は、ローパスフィルター525aを通され、その後、信号xとして除算器530に入力される。乗算器522bを通した受光信号も、ローパスフィルター525bを通され、その後、信号yとして除算器530に入力される。除算器530では、信号yを信号xで除する除算を行い、信号y/xを逆正接演算回路532に通して、信号atan(y/x)を求める。 The received light signal that has passed through multiplier 522a is passed through low-pass filter 525a and then input to divider 530 as signal x. The received light signal that has passed through multiplier 522b is also passed through low-pass filter 525b and then input to divider 530 as signal y. Divider 530 divides signal y by signal x, and passes signal y/x through arctangent calculation circuit 532 to obtain signal a tan(y/x).

その後、信号atan(y/x)を微分回路533および振幅調整回路534に通すことにより、周波数信号であるサンプル信号f(t)が求められる。 Thereafter, the signal a tan(y/x) is passed through a differentiation circuit 533 and an amplitude adjustment circuit 534 to obtain a sample signal f d (t), which is a frequency signal.

以上、復調回路52の回路構成について説明したが、上記のデジタル回路の回路構成は、一例であり、これに限定されない。また、復調回路52は、デジタル回路に限定されず、アナログ回路であってもよい。アナログ回路には、F/V(Frequency Voltage)コンバーター回路やΔΣカウンター回路が含まれていてもよい。周波数復調の場合には、アナログ回路の方が分解能を高めやすいという利点がある。 The circuit configuration of the demodulation circuit 52 has been described above, but the circuit configuration of the above digital circuit is merely an example and is not limited to this. Furthermore, the demodulation circuit 52 is not limited to a digital circuit and may be an analog circuit. The analog circuit may include an F/V (Frequency Voltage) converter circuit and a ΔΣ counter circuit. In the case of frequency demodulation, an analog circuit has the advantage that it is easier to increase the resolution.

また、上述した復調回路52の回路構成は、周波数情報を出力する回路構成であるが、位相情報を出力する回路構成であってもよい。この位相情報を用いることにより、被測定物14の変位を求める変位計が実現される。 The circuit configuration of the demodulation circuit 52 described above is a circuit configuration that outputs frequency information, but it may also be a circuit configuration that outputs phase information. By using this phase information, a displacement meter that determines the displacement of the object to be measured 14 is realized.

1.3.制御回路
制御回路53は、復調回路52から出力されたサンプル信号f(t)に対して各種演算を行う。この演算の結果、最終的なレーザー干渉計1の出力信号を得る。
1.3 Control Circuit The control circuit 53 performs various calculations on the sample signal f d (t) output from the demodulation circuit 52. As a result of these calculations, the final output signal of the laser interferometer 1 is obtained.

ここで、上記のような復調処理は、前述したように、変調周波数が変化しない光変調器を用いて変調された光に基づく受光信号からサンプル信号を復調するための処理である。しかしながら、振動素子3A~3Cは、往復振動するため、変調周波数が変化する。このため、振動素子3A~3Cを備える光変調器12で変調された参照光L2を含む光に基づく受光信号に対して、上記の復調処理を行うと、正確なサンプル信号を取り出すことができないという問題がある。 As mentioned above, the demodulation process is a process for demodulating a sample signal from a received light signal based on light modulated using an optical modulator whose modulation frequency does not change. However, since the vibration elements 3A to 3C vibrate back and forth, the modulation frequency changes. For this reason, if the above demodulation process is performed on a received light signal based on light including the reference light L2 modulated by the optical modulator 12 equipped with the vibration elements 3A to 3C, there is a problem in that an accurate sample signal cannot be extracted.

そこで、本実施形態では、復調回路52が間欠的な復調処理を行う。具体的には、復調回路52から出力されたサンプル信号f(t)に対し、制御回路53において、一部の期間の信号を抽出する処理を行う。 Therefore, in this embodiment, the demodulation circuit 52 performs intermittent demodulation processing. Specifically, the control circuit 53 performs processing for extracting a signal for a partial period from the sample signal f d (t) output from the demodulation circuit 52.

サンプル信号f(t)を抽出する期間を「復調処理の実行期間」とする。この実行期間には、単振動している光反射面の速度がほぼ一定とみなすことができる期間が設定される。このような実行期間では、変調周波数がほぼ一定であるとみなすことができる。したがって、制御回路53では、復調回路52から出力されたサンプル信号f(t)のうち、実行期間に出力された信号を抽出することにより、より正確なドップラーシフトの情報を求めることが可能になる。 The period during which the sample signal f d (t) is extracted is referred to as the "execution period of demodulation processing." This execution period is set to a period during which the speed of the light reflecting surface undergoing simple vibration can be considered to be almost constant. In such an execution period, the modulation frequency can be considered to be almost constant. Therefore, the control circuit 53 can obtain more accurate Doppler shift information by extracting the signal output during the execution period from the sample signal f d (t) output from the demodulation circuit 52.

なお、本明細書では、サンプル信号f(t)から一部の期間の信号を抽出する処理について説明するが、「間欠的な復調処理」には、復調回路52がサンプル信号f(t)を間欠的に出力する動作を行う形態も含んでいる。 In this specification, the process of extracting a signal for a partial period from the sample signal f d (t) is described, but the "intermittent demodulation process" also includes a form in which the demodulation circuit 52 performs an operation of intermittently outputting the sample signal f d (t).

図8は、単振動する振動素子3Bに設けられた光反射面の位置Lの時間変化を表すグラフ、および、この振動素子3Bによる変調周波数fの時間変化を表すグラフである。なお、図8では、一例として振動素子3Bを挙げているが、他の振動素子3A、3Cでも同様である。 8 is a graph showing the time change of the position L of the light reflecting surface provided on the vibration element 3B vibrating simply, and a graph showing the time change of the modulation frequency fM by this vibration element 3B. Note that, although the vibration element 3B is given as an example in FIG. 8, the same applies to the other vibration elements 3A and 3C.

図8に示す光反射面の位置Lは、前述した式(6)で与えられる。また、図8に示す変調周波数fは、前述した式(8)で与えられる。このため、光反射面の位置Lの時間変化と、変調周波数fの時間変化は、いずれも三角関数で表される。したがって、変調周波数fは、極大を迎える時間帯Tにおいて、ほぼ一定とみなすことができる。 The position L of the light reflecting surface shown in Fig. 8 is given by the above-mentioned formula (6). Moreover, the modulation frequency fM shown in Fig. 8 is given by the above-mentioned formula (8). Therefore, the time change of the position L of the light reflecting surface and the time change of the modulation frequency fM are both expressed by trigonometric functions. Therefore, the modulation frequency fM can be considered to be almost constant during the time period T where it reaches its maximum.

そこで、制御回路53は、変調周波数fに基づき、最大変調周波数を迎える時刻tと、時刻tを含む所定幅の時間帯Tと、を特定する。そして、制御回路53は、この時間帯Tに復調回路52から出力されたサンプル信号f(t)を抽出する。このような処理に行うことにより、ドップラーシフトの情報を高精度に求めることができる。なお、この時間帯Tは、振動素子3Bの瞬間的な振動速度が最も大きい時間帯であるともいえる。 Therefore, the control circuit 53 specifies the time t at which the maximum modulation frequency is reached and a time period T of a predetermined width including the time t, based on the modulation frequency fM . Then, the control circuit 53 extracts the sample signal fd (t) output from the demodulation circuit 52 during this time period T. By performing such processing, it is possible to obtain information on the Doppler shift with high accuracy. It can also be said that this time period T is the time period during which the instantaneous vibration velocity of the vibration element 3B is the largest.

図9は、等速で動く被測定物に対してレーザー光を照射したとき、復調回路52から出力されたドップラーシフトfの時間変化を表すグラフである。 FIG. 9 is a graph showing the change over time in the Doppler shift fd output from the demodulation circuit 52 when a laser beam is irradiated onto an object to be measured that is moving at a constant speed.

なお、図9の例では、被測定物の速度は10mm/秒である。この速度は、ドップラーシフトに換算すると、23.5kHzとなる。したがって、図9では、-23500Hzというドップラーシフトの値が真値ということになる。また、図9では、この真値に対し、誤差1%以下の領域を示している。この領域の内側に測定結果が入っていれば、その測定結果の精度は十分であるといえる。 In the example of Figure 9, the speed of the object being measured is 10 mm/sec. This speed is converted into a Doppler shift of 23.5 kHz. Therefore, in Figure 9, the Doppler shift value of -23,500 Hz is the true value. Figure 9 also shows a region with an error of 1% or less from this true value. If the measurement result falls within this region, it can be said that the accuracy of the measurement result is sufficient.

さらに、図9では、測定に用いた振動素子3Bの最大変調周波数を変えた場合の測定結果をそれぞれ示している。最大変調周波数は、低い方から、0.5MHz、1MHz、1.5MHz、3MHz、5MHz、10MHzである。なお、測定結果の導出に必要な前述の発振周波数信号cosωおよび発振周波数信号-sinωについては、上述した各最大変調周波数の値を用いている。 9 shows the measurement results when the maximum modulation frequency of the vibration element 3B used in the measurement is changed. The maximum modulation frequencies are 0.5 MHz, 1 MHz, 1.5 MHz, 3 MHz, 5 MHz, and 10 MHz from the lowest. Note that the above-mentioned oscillation frequency signal cosωM and oscillation frequency signal −sinωM , which are necessary for deriving the measurement results, use the values of the above-mentioned maximum modulation frequencies.

図9に示すように、いずれの最大変調周波数であっても、ほぼ真値に近い測定結果を求めることができる時間帯が存在している。また、測定結果が誤差1%以下の領域に入っている時間は、最大変調周波数によって異なるが、それぞれ一定時間確保されている。したがって、制御回路53においてこの時間帯を抽出することにより、十分に精度の高い計測が可能であるといえる。 As shown in Figure 9, there is a time period during which measurement results close to the true value can be obtained regardless of the maximum modulation frequency. In addition, the time during which the measurement result is in a region with an error of 1% or less varies depending on the maximum modulation frequency, but a certain amount of time is ensured for each. Therefore, by extracting this time period in the control circuit 53, it can be said that measurements with sufficiently high accuracy are possible.

また、最大変調周波数が低いほど、測定結果が誤差1%以下の領域に入っている時間が長くなっている。ただし、最大変調周波数が低すぎる場合には、測定結果の精度が低下するおそれがある。図9には図示していないが、最大変調周波数を0.18MHzにした場合、測定精度の低下が認められている。 In addition, the lower the maximum modulation frequency, the longer the time that the measurement results are in the region with an error of 1% or less. However, if the maximum modulation frequency is too low, the accuracy of the measurement results may decrease. Although not shown in Figure 9, a decrease in measurement accuracy was observed when the maximum modulation frequency was set to 0.18 MHz.

そこで、振動素子で変調された参照光L2に含まれる変調信号の、図9に示す誤差1%以下の領域に入っている時間に対応する波数と、振動素子の最大変調周波数と、の関係を考察してみる。図10は、この波数と最大変調周波数との関係を示す表である。 Therefore, let us consider the relationship between the wave number corresponding to the time when the modulation signal contained in the reference light L2 modulated by the vibration element is in the region with an error of 1% or less shown in Figure 9, and the maximum modulation frequency of the vibration element. Figure 10 is a table showing the relationship between this wave number and the maximum modulation frequency.

図10に示すように、最大変調周波数が0.18MHzである場合、前記波数は2となる。この場合には、前述したように、測定結果の精度が認められたことから、それを踏まえると前記波数は3以上であることが好ましい。一方、最大変調周波数が0.5MHz以上の場合では、いずれも前記波数が3以上になっている。最大変調周波数がこの範囲では、図9に示したように、十分な測定精度が得られている。したがって、前記波数は3以上であることが好ましいといえる。 As shown in FIG. 10, when the maximum modulation frequency is 0.18 MHz, the wave number is 2. In this case, as mentioned above, the accuracy of the measurement results was confirmed, and in light of this, it is preferable that the wave number is 3 or more. On the other hand, when the maximum modulation frequency is 0.5 MHz or more, the wave number is 3 or more in all cases. As shown in FIG. 9, when the maximum modulation frequency is in this range, sufficient measurement accuracy is obtained. Therefore, it can be said that it is preferable that the wave number is 3 or more.

以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計1は、光源部2と、光変調器12と、受光素子10と、復調回路52、を備えている。光源部2は、出射光L1(第1レーザー光)を射出する。光変調器12は、振動素子3A~3Cを備え、振動素子3A~3Cを用いて出射光L1を変調し、変調信号を含む参照光L2(第2レーザー光)を生成する。受光素子10は、出射光L1が被測定物14(対象物)で反射されて生成された、サンプル信号を含む物体光L3(第3レーザー光)と、参照光L2と、の干渉光を受光する。復調回路52は、受光素子10で出力された受光信号から、サンプル信号を復調する復調処理を行う。そして、復調回路52は、復調処理を間欠的に行う。 As described above, the laser interferometer 1 according to this embodiment includes a light source unit 2, an optical modulator 12, a light receiving element 10, and a demodulation circuit 52. The light source unit 2 emits an output light L1 (first laser light). The optical modulator 12 includes vibration elements 3A to 3C, and modulates the output light L1 using the vibration elements 3A to 3C to generate a reference light L2 (second laser light) including a modulated signal. The light receiving element 10 receives interference light between the reference light L2 and an object light L3 (third laser light) including a sample signal, which is generated when the output light L1 is reflected by the object 14 (target object). The demodulation circuit 52 performs a demodulation process to demodulate the sample signal from the received light signal output by the light receiving element 10. The demodulation circuit 52 performs the demodulation process intermittently.

このような構成によれば、復調回路52による復調処理を間欠的に行うため、例えば間欠処理の実行期間を最適化することによって、より正確なサンプル信号の復調が可能になる。例えば、振動素子3A~3Cの振動速度が最も大きい時間帯を実行期間に設定することで、サンプル信号の復調精度を高めることができる。その結果、振動素子3A~3Cという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計1を実現することができる。 With this configuration, the demodulation process by the demodulation circuit 52 is performed intermittently, so that, for example, by optimizing the execution period of the intermittent process, more accurate demodulation of the sample signal is possible. For example, by setting the execution period to the time period during which the vibration speed of the vibration elements 3A to 3C is the greatest, the demodulation accuracy of the sample signal can be improved. As a result, it is possible to realize a laser interferometer 1 that can be used for highly accurate displacement measurement and velocity measurement while using the vibration elements 3A to 3C, which are low-cost and simple elements.

また、本実施形態に係るレーザー干渉計1の制御方法は、光源部2と、光変調器12と、受光素子10と、を備えるレーザー干渉計1を制御する方法である。この制御方法では、受光素子10で出力された受光信号から、サンプル信号を復調する復調処理を間欠的に行うように制御する。 The control method for the laser interferometer 1 according to this embodiment is a method for controlling the laser interferometer 1 that includes a light source unit 2, an optical modulator 12, and a light receiving element 10. In this control method, the intermittent demodulation process is performed to demodulate a sample signal from the light receiving signal output by the light receiving element 10.

このような制御方法によれば、復調処理を間欠的に行うため、例えば間欠処理の実行期間を最適化することによって、より正確なサンプル信号の復調が可能になる。例えば、振動素子3A~3Cの振動速度が最も大きい時間帯を実行期間に設定することで、サンプル信号の復調精度を高めることができる。その結果、振動素子3A~3Cという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計1を実現することができる。 According to this control method, the demodulation process is performed intermittently, so that, for example, by optimizing the execution period of the intermittent process, more accurate demodulation of the sample signal is possible. For example, by setting the execution period to the time period during which the vibration speed of the vibration elements 3A to 3C is the greatest, the demodulation accuracy of the sample signal can be improved. As a result, it is possible to realize a laser interferometer 1 that can be used for highly accurate displacement measurement and velocity measurement while using the vibration elements 3A to 3C, which are low-cost and simple elements.

したがって、上記のようなレーザー干渉計1は、小型、低コスト、高S/N比、高精度、広帯域等の特長を有するものとなる。このようなレーザー干渉計1を備えることにより、これらの特長を備えた、非接触振動計測装置およびそれを用いた振動制御システム、非接触測距装置、変位計、速度計等を実現することができる。 The above-described laser interferometer 1 therefore has features such as small size, low cost, high S/N ratio, high accuracy, and wide bandwidth. By using such a laser interferometer 1, it is possible to realize a non-contact vibration measuring device and a vibration control system, a non-contact distance measuring device, a displacement meter, a speed meter, etc., that have these features.

また、本実施形態に係る復調回路52では、復調処理の実行期間が、振動素子3A~3Cの振動速度が最も大きい時間帯Tを含むことが好ましい。 Furthermore, in the demodulation circuit 52 according to this embodiment, it is preferable that the period during which the demodulation process is performed includes the time period T during which the vibration velocity of the vibration elements 3A to 3C is the greatest.

このような実行期間を含んで間欠的に復調処理を行うことにより、サンプル信号の復調誤差を少なく抑えることができる。その結果、振動素子3A~3Cという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計1を実現することができる。 By performing the demodulation process intermittently, including such an execution period, it is possible to reduce demodulation errors in the sample signal. As a result, it is possible to realize a laser interferometer 1 that can be used for highly accurate displacement and velocity measurements while using low-cost, simple elements such as vibration elements 3A to 3C.

また、実行期間が短すぎる場合には、測定可能時間が減少するおそれがある。また、実行期間に含まれる前記波数が減少すると、測定精度の低下を招くおそれがある。かかる観点から、復調回路52では、復調処理の実行期間が、変調信号の波数が3波以上含まれる長さであることが好ましい。 In addition, if the execution period is too short, the measurable time may be reduced. In addition, if the number of waves included in the execution period is reduced, the measurement accuracy may be reduced. From this perspective, it is preferable that the execution period of the demodulation process in the demodulation circuit 52 is long enough to include three or more waves of the modulated signal.

このような実行期間を含んで間欠的に復調処理を行うことにより、例えば誤差1%以下のような、十分に高精度な復調が可能になる。その結果、振動素子3A~3Cという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計1を実現することができる。 By performing the demodulation process intermittently, including such execution periods, it becomes possible to achieve sufficiently high-precision demodulation, for example with an error of 1% or less. As a result, it is possible to realize a laser interferometer 1 that can be used for high-precision displacement and velocity measurements, while using low-cost and simple elements such as vibration elements 3A to 3C.

特に、復調処理の実行期間は、変調信号の波数が10以上含まれる長さであることがより好ましい。 In particular, it is more preferable that the execution period of the demodulation process is long enough to include 10 or more waves of the modulated signal.

この場合、復調回路52において、コンパレーターや高速フーリエ変換回路(FFT回路)を用いることができる。これにより、復調回路52の回路構成をシンプルにすることができる。その結果、レーザー干渉計1の小型化を図ることができる。 In this case, a comparator or a fast Fourier transform circuit (FFT circuit) can be used in the demodulation circuit 52. This allows the circuit configuration of the demodulation circuit 52 to be simplified. As a result, the laser interferometer 1 can be made more compact.

なお、前記波数を基準にするのではなく、振動素子3A~3Cの振動速度を基準にして、復調処理の実行期間を設定するようにしてもよい。一例として、復調処理の実行期間は、振動素子3A~3Cが振動最大速度を迎える時刻を含み、振動速度が振動最大速度の90%以上であることを満たす時間帯であることが好ましい。この場合も、上記と同様の効果が得られる。 In addition, the execution period of the demodulation process may be set based on the vibration speed of the vibration elements 3A to 3C, rather than on the wave number. As an example, it is preferable that the execution period of the demodulation process is a time period that includes the time when the vibration elements 3A to 3C reach their maximum vibration speed, and that satisfies that the vibration speed is 90% or more of the maximum vibration speed. In this case, the same effect as above can be obtained.

また、上記の検討結果を踏まえると、振動素子3A~3Cにおける好ましい仕様は、以下の通りである。 In addition, taking into account the above findings, the preferred specifications for vibration elements 3A to 3C are as follows:

(a)最大変調周波数が、好ましくは100kHz以上である。
(b)復調処理の実行期間に、変調信号の波数が3波以上含まれている。
(a) The maximum modulation frequency is preferably 100 kHz or more.
(b) The period during which the demodulation process is performed includes three or more waves of the modulated signal.

これらの仕様を満たすことにより、それぞれ以下のような効果が得られる。
(a)被測定物14について計測できる周波数と速度の範囲を広げることができる。
(b)波数の不足に伴う測定精度の低下を抑制することができる。
By satisfying these specifications, the following effects can be obtained.
(a) The range of frequencies and velocities that can be measured for the object to be measured 14 can be expanded.
(b) The decrease in measurement accuracy due to a lack of wavenumber can be suppressed.

さらに、上記のような仕様を満たすためには、一例として、振動周波数fが800Hz以上である場合、変位振幅Lは250μm以上である振動素子を選定するのが好ましい。一方、振動周波数fが800Hz未満である場合、変位振幅Lは25μm以上250μm未満である振動素子を選定するのが好ましい。 Furthermore, in order to satisfy the above specifications, as an example, when the vibration frequency f a is 800 Hz or more, it is preferable to select a vibration element having a displacement amplitude L 0 of 250 μm or more. On the other hand, when the vibration frequency f a is less than 800 Hz, it is preferable to select a vibration element having a displacement amplitude L 0 of 25 μm or more and less than 250 μm.

したがって、以上の仕様を満足させやすいという観点からすると、光変調器12には、特に、MEMS振動ミラー素子、シリコン振動子または水晶振動子が好ましく用いられる。 Therefore, from the viewpoint of easily satisfying the above specifications, it is particularly preferable to use a MEMS vibrating mirror element, a silicon vibrator, or a quartz crystal vibrator for the optical modulator 12.

なお、復調回路52および制御回路53の一部または全部は、情報を処理するプロセッサーと、プログラムやデータを記憶するメモリーと、外部インターフェースと、を有するハードウェアで構成される。プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラムやデータを読み込んで実行することにより、復調回路52および制御回路53の各機能を実現する。 All or part of the demodulation circuit 52 and the control circuit 53 is composed of hardware having a processor for processing information, a memory for storing programs and data, and an external interface. The processor realizes the functions of the demodulation circuit 52 and the control circuit 53 by reading and executing the various programs and data stored in the memory.

また、復調回路52および制御回路53の機能の一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等のハードウェアによって実現されてもよい。 In addition, some or all of the functions of the demodulation circuit 52 and the control circuit 53 may be realized by hardware such as an LSI (Large Scale Integration), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array).

2.第2実施形態
次に、第2実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図11ないし図13は、それぞれ第2実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。
2. Second Embodiment Next, a laser interferometer according to a second embodiment will be described.
11 to 13 are schematic configuration diagrams each showing an example of a mounting structure of an optical system provided in a laser interferometer according to the second embodiment.

以下、第2実施形態について説明するが、以下の説明では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図11ないし図13において、前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。 The second embodiment will be described below, focusing on the differences from the first embodiment and omitting the description of similar points. Note that in Figures 11 to 13, the same reference numerals are used for configurations similar to those in the previous embodiment.

図11に示すレーザー干渉計1の光学系50Aは、基板39を備えている。光源部2、光変調器12および受光素子10は、それぞれ、この基板39上に実装されている。そして、基板39には、図11に示す光路22と直交する方向に沿って、受光素子10、光源部2および光変調器12がこの順で並ぶように配置されている。 The optical system 50A of the laser interferometer 1 shown in FIG. 11 includes a substrate 39. The light source unit 2, the optical modulator 12, and the light receiving element 10 are each mounted on this substrate 39. The light receiving element 10, the light source unit 2, and the optical modulator 12 are arranged on the substrate 39 in this order along a direction perpendicular to the optical path 22 shown in FIG. 11.

また、図11に示す光学系50Aは、プリズム40、42を備えている。プリズム40は、受光素子10と検光子9との間の、光路24上に設けられている。プリズム42は、光変調器12と1/4波長板8との間の、光路20上に設けられている。 The optical system 50A shown in FIG. 11 also includes prisms 40 and 42. The prism 40 is provided on the optical path 24 between the light receiving element 10 and the analyzer 9. The prism 42 is provided on the optical path 20 between the optical modulator 12 and the quarter-wave plate 8.

さらに、図11に示す光学系50Aは、凸レンズ44を備えている。凸レンズ44は、光源部2と偏光ビームスプリッター4との間の、光路18上に設けられている。凸レンズ44を設けることにより、光源部2から出た出射光L1を集束させて、有効に利用することができる。 The optical system 50A shown in FIG. 11 further includes a convex lens 44. The convex lens 44 is provided on the optical path 18 between the light source unit 2 and the polarizing beam splitter 4. By providing the convex lens 44, the emitted light L1 from the light source unit 2 can be focused and effectively utilized.

図12に示すレーザー干渉計1の光学系50Bは、素子の配置が異なる以外、光学系50Aと同様である。 The optical system 50B of the laser interferometer 1 shown in FIG. 12 is similar to the optical system 50A, except for the arrangement of the elements.

図12に示す基板39には、図12に示す光路22と直交する方向に沿って、光源部2、受光素子10および光変調器12がこの順で並ぶように配置されている。プリズム40は、光路18上に設けられ、プリズム42は、光路24上に設けられている。 On the substrate 39 shown in FIG. 12, the light source unit 2, the light receiving element 10, and the optical modulator 12 are arranged in this order along a direction perpendicular to the optical path 22 shown in FIG. 12. The prism 40 is provided on the optical path 18, and the prism 42 is provided on the optical path 24.

図13に示すレーザー干渉計1の光学系50Cは、被測定物14と受光素子10とを結ぶ光路に光変調器12が組み込まれている配置を有している。 The optical system 50C of the laser interferometer 1 shown in FIG. 13 has an arrangement in which an optical modulator 12 is incorporated in the optical path connecting the object to be measured 14 and the light receiving element 10.

図13に示す基板39には、図13に示す光路22と直交する方向に沿って、光源部2、光変調器12および受光素子10がこの順で並ぶように配置されている。プリズム40は、光路18上に設けられ、プリズム42は、光路24上に設けられている。 On the substrate 39 shown in FIG. 13, the light source unit 2, the optical modulator 12, and the light receiving element 10 are arranged in this order along a direction perpendicular to the optical path 22 shown in FIG. 13. The prism 40 is provided on the optical path 18, and the prism 42 is provided on the optical path 24.

以上のような図11ないし図13に示す実装構造によれば、レーザー干渉計1の小型化を容易に図ることができる。なお、素子の配置は、図示した配置に限定されない。 The mounting structure shown in Figures 11 to 13 as described above makes it easy to miniaturize the laser interferometer 1. Note that the arrangement of the elements is not limited to the arrangement shown in the figures.

図11ないし図13に示す実装構造では、受光素子10のサイズが例えば0.1mm角であり、光源部2のサイズが例えば0.1mm角であり、光変調器12のサイズが例えば0.5~10mm角である。そして、これらを実装する基板39のサイズについては、例えば1~10mm角とされる。これにより、この基板39のサイズ程度まで、レーザー干渉計1の小型化を図ることができる。
以上のような第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
11 to 13, the size of the light receiving element 10 is, for example, 0.1 mm square, the size of the light source unit 2 is, for example, 0.1 mm square, and the size of the optical modulator 12 is, for example, 0.5 to 10 mm square. The size of the board 39 on which these are mounted is, for example, 1 to 10 mm square. This makes it possible to miniaturize the laser interferometer 1 to about the size of this board 39.
In the second embodiment as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

以上、本発明のレーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザー干渉計は、前記実施形態に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前記実施形態に係るレーザー干渉計には、他の任意の構成物が付加されていてもよい。 The laser interferometer and the control method for the laser interferometer of the present invention have been described above based on the illustrated embodiment, but the laser interferometer of the present invention is not limited to the embodiment, and the configuration of each part can be replaced with any configuration having a similar function. In addition, any other components may be added to the laser interferometer according to the embodiment.

1…レーザー干渉計、2…光源部、3A…振動素子、3B…振動素子、3C…振動素子、4…偏光ビームスプリッター、6…1/4波長板、8…1/4波長板、9…検光子、10…受光素子、12…光変調器、14…被測定物、16…セット部、18…光路、20…光路、22…光路、24…光路、31…素子本体、32…光反射膜、33…ミラー、34…可動部、35…遮光部、36…振動片、39…基板、40…プリズム、42…プリズム、44…凸レンズ、50…光学系、50A…光学系、50B…光学系、50C…光学系、52…復調回路、53…制御回路、351…開口部、521…ハイパスフィルター、522a…乗算器、522b…乗算器、523a…局部発振器、523b…局部発振器、525a…ローパスフィルター、525b…ローパスフィルター、530…除算器、532…逆正接演算回路、533…微分回路、534…振幅調整回路、Ax…回動軸、L1…出射光、L2…参照光、L3…物体光、T…時間帯、x…信号、y…信号 1...laser interferometer, 2...light source unit, 3A...vibration element, 3B...vibration element, 3C...vibration element, 4...polarizing beam splitter, 6...quarter wave plate, 8...quarter wave plate, 9...analyzer, 10...light receiving element, 12...optical modulator, 14...object to be measured, 16...set unit, 18...optical path, 20...optical path, 22...optical path, 24...optical path, 31...element body, 32...light reflecting film, 33...mirror, 34...movable part, 35...light shielding part, 36...vibration piece, 39...substrate, 40...prism, 42...prism, 44...convex lens, 50...optical system, 50A...optical system, 50B...optical system, 50C...optical system, 52...demodulation circuit, 53...control circuit, 351...opening, 521...high-pass filter, 522a...multiplier, 522b...multiplier, 523a...local oscillator, 523b...local oscillator, 525a...low-pass filter, 525b...low-pass filter, 530...divider, 532...arctangent calculation circuit, 533...differential circuit, 534...amplitude adjustment circuit, Ax...rotation axis, L1...emitted light, L2...reference light, L3...object light, T...time period, x...signal, y...signal

Claims (9)

第1レーザー光を射出する光源部と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第1レーザー光を変調し、変調信号を含む
第2レーザー光を生成する光変調器と、
前記第1レーザー光が対象物で反射されて生成されたサンプル信号を含む第3レーザー
光と、前記第2レーザー光と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を行う復調回路と、
を備え、
前記復調回路は、前記復調処理を間欠的に行い、前記復調処理の実行期間は、前記振動
素子の振動速度が最も大きい時間帯を含むことを特徴とするレーザー干渉計。
A light source unit that emits a first laser beam;
an optical modulator including a vibration element, the optical modulator modulating the first laser light by using the vibration element to generate a second laser light including a modulation signal;
a light receiving element that receives interference light between a third laser light including a sample signal generated by reflection of the first laser light from an object and the second laser light, and outputs a light receiving signal;
a demodulation circuit that performs a demodulation process to demodulate the sample signal from the received light signal;
Equipped with
The demodulation circuit intermittently performs the demodulation process, and the demodulation process is performed during a period in which the vibration
A laser interferometer characterized by including a time period during which the vibration velocity of an element is greatest .
前記振動素子は、単振動を発生させる素子である請求項1に記載のレーザー干渉計。 The laser interferometer according to claim 1, wherein the vibration element is an element that generates simple harmonic motion. 前記振動素子は、圧電素子を有する請求項2に記載のレーザー干渉計。 The laser interferometer of claim 2, wherein the vibration element has a piezoelectric element. 前記振動素子は、MEMS振動ミラー素子を有する請求項2に記載のレーザー干渉計。 The laser interferometer of claim 2, wherein the vibration element has a MEMS vibration mirror element. 前記振動素子は、シリコン振動子を有する請求項2に記載のレーザー干渉計。 The laser interferometer of claim 2, wherein the vibration element has a silicon vibrator. 前記振動素子は、水晶振動子を有する請求項2に記載のレーザー干渉計。 The laser interferometer according to claim 2, wherein the vibration element has a quartz crystal oscillator. 前記振動素子は、前記第1レーザー光を反射する光反射面を有し、前記光反射面の面外
方向に振動する素子である請求項1ないし6のいずれか1項に記載のレーザー干渉計。
7. The laser interferometer according to claim 1, wherein the vibration element has a light reflecting surface that reflects the first laser light, and vibrates in an out-of-plane direction of the light reflecting surface.
前記光変調器は、前記第2レーザー光の光路上に設けられ、前記第2レーザー光の一部
を遮光する遮光部を備える請求項1ないし7のいずれか1項に記載のレーザー干渉計。
8. The laser interferometer according to claim 1, wherein the optical modulator includes a light blocking portion provided on an optical path of the second laser light and configured to block a part of the second laser light.
第1レーザー光を射出する光源部と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第1レーザー光を変調し、変調信号を含む
第2レーザー光に生成する光変調器と、
前記第1レーザー光が対象物で反射されて生成されたサンプル信号を含む第3レーザー
光と、前記第2レーザー光と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、を備
えるレーザー干渉計の制御方法であって、
前記振動素子の振動速度が最も大きい時間帯を含む時間帯を実行期間として、前記受光
信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を間欠的に行うことを特徴とするレーザー
干渉計の制御方法。
A light source unit that emits a first laser beam;
an optical modulator including a vibration element, the optical modulator modulating the first laser light by using the vibration element to generate a second laser light including a modulation signal;
a light receiving element that receives interference light between a third laser light including a sample signal generated by reflection of the first laser light by an object and the second laser light, and outputs a light receiving signal,
A method for controlling a laser interferometer, comprising intermittently performing a demodulation process for demodulating the sample signal from the received light signal during an execution period that includes a time period during which the vibration velocity of the vibration element is greatest .
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